Zur Ressourcenvergabe in einem selbstorganisierenden zellularen OFDM Mobilfunksystem

In dieser Arbeit wurde das Potential einer selbstorganisierenden Ressourcenvergabe für auf der OFDM-Übertragungstechnik basierende zellulare Mobilfunksysteme analysiert und ein SO-RRM-Konzept für zukünftige 4G-Systeme vorgeschlagen. Die OFDM-Übertragungstechnik bildet aufgrund ihrer Effizienz und Robustheit gegenüber der Mehrwegeausbreitung realer Mobilfunkkanäle die übertragungstechnische Grundlage. Der Systemvorschlag basiert auf einer zellübergreifenden Synchronisation aller BS und MS in Zeit und Trägerfrequenz. In einem vollständig synchronisierten Funknetz entstehen zwar GKI, aber keine Nachbarkanalinterferenzen. Dadurch können die GKI zuverlässig gemessen und als Entscheidungskriterium für die selbstorganisierende Ressourcenauswahl ausgewertet werden. Im vorgeschlagenen SO-RRM-System wählen die BS die für die Versorgung der MS benötigten Ressourcen autonom aus. Die Auswahl basiert auf den in DL und UL durchgeführten Messungen der Nutzsignalleistungen und der GKI. Hieraus werden die ressourcenspezifischen SINRs berechnet. Anschließend werden die Ressourcen mit den höchsten SINRs ausgewählt. Durch Anwendung einer Linkadaptionstechnik wird die Menge der ausgewählten Ressourcen an die Kanalzustände und an die Intensität der gemessenen GKI angepasst. Die MS unterstützen den Auswahlprozess, indem sie eine Vorschlagsliste mit den im DL gemessenen GKI an die BS übermitteln. Die BS können die Ressourcenauswahl gemeinsam für DL und UL durchführen, indem sie ihre eigenen Ranglisten mit den Vorschlägen der MS verschmelzen. Alternativ kann die Ressourcenauswahl in DL und UL getrennt erfolgen. Eine Selbstorganisation bietet die maximale Flexibilität beim Einsatz der knappen Funkressourcen. In einem SO-RRM-System hat jede BS Zugriff auf die gesamte Systembandbreite. Ressourcen können immer dort ausgewählt werden, wo sie gerade benötigt werden. Hierdurch lassen sich asymmetrische Benutzeraufkommen wie z. B. Hot Spots höchst effizient versorgen. Zudem entfällt im Vergleich zu herkömmlichen Mobilfunksystemen der 2. und 3. Generation die Notwendigkeit einer statischen Vorausplanung des Ressourcenbedarfs und der von den Funkzellen belegten Frequenzbänder. SO-RRM bei konstanten Datenraten Zunächst wurde in Kapitel 7 die Bereitstellung konstanter Datenraten in UL und DL untersucht. In System-Level-Simulationen wurde gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Auswahlalgorithmen zu einem stabilen Netzbetrieb führen. Das SO-RRM-System wurde gegen ein Referenzsystem mit SRV verglichen. Bereits bei gleichmäßiger Verteilung der Benutzer im Versorgungsgebiet wurde mit SO-RRM eine höhere Effizienz erzielt. Seine eigentliche Stärke zeigte das SO-RRM-System im Hot-Spot-Szenario. Während in einem SRV-System keinerlei Anpassungen an Änderungen des Benutzeraufkommens möglich sind, können sich SO-RRM-Systeme flexibel an das tatsächliche momentane Verkehrsaufkommen adaptieren. Hierdurch steigt die Effizienz des SO-RRM-Systems in asymmetrischen Vekehrsszenarien wie Hot Spots im Vergleich zu herkömmlichen SRVbasierten Konzepten beträchtlich an. Zur Bereitstellung konstanter Datenraten wurden sowohl eine gemeinsame als auch eine getrennte Ressourcenauswahl für DL und UL analysiert. Die besseren Ergebnisse wurden zunächst bei gemeinsamer Auswahl der Ressourcen für DL und UL erzielt. Eine getrennte Ressourcenauswahl ist dennoch sinnvoll, wenn in DL und UL unterschiedliche Datenraten benötigt werden. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine Überdeckung des Ressourcenbedarfs das Systemverhalten bei getrennter Auswahl verbessert werden kann. Mit dem Ressourcenüberschuss können robustere PHY Modi angewendet werden. Dadurch werden die Übertragungen robuster gegen mögliche Anstiege der GKI. SO-RRM im DL bei variablen Datenraten In Kapitel 8 wurde als zweiter Anwendungsfall die Versorgung mit variablen Datenraten im DL betrachtet. Dazu wurde eine in DL und UL getrennte Ressourcenauswahl durchgeführt. Als Erweiterung des SO-RRM-Konzepts wurde für den DL ein Protokoll vorgeschlagen, mit welchem alle für den DL ausgewählten Ressourcen bedarfsangepasst zwischen den MS umverteilt werden können. Das Konzept basiert darauf, dass sich hierdurch im DL die in den umliegenden Zellen wahrgenommenen GKI nicht ändern. Im erweiterten Konzept wird die Ressourcenauswahl über den Ressourcendeckungsgrad gesteuert. Dieser wird in jedem Zugriffsrahmen durch einen Vergleich zwischen verfügbarer und benötigter Gesamtdatenrate bestimmt. Die Auswahl und Freigabe von Ressourcen erfolgt bei Unter- bzw. Überschreitung vorgegebener Deckungsgradschwellen. Durch geeignete Wahl der Schwellen kann eine Überdeckung des Ressourcenbedarfs erzielt werden. Eine solche Ressourcenexpansion erwies sich bereits bei der Versorgung mit konstanten Datenrate als effizienzsteigernd. Die Auftrittshäufigkeiten von Auswahl- und Freigabeprozessen werden durch eine Ressourcenexpansion reduziert, sodass die gemessenen GKI über einen längeren Zeitraum konstant bleiben. Anhand von Rechnersimulationen wurde gezeigt, dass sich eine Ressourcenexpansion besonders bei niedriger und mittlerer Systemauslastung positiv auf alle relevanten QoS-Kennzahlen auswirkt. Bei hoher Systemauslastung jedoch sollte das Ausmaß der Ressourcenexpansion reduziert werden, damit zusätzliche Benutzer mit den freiwerdenden Ressourcen versorgt werden können. Zu diesem Zweck wurden systemlastabhängige Deckungsgradschwellen eingesetzt. Als wesentliche Neuerung wurde eine Kopplung zwischen den beiden Prozessen Ressourcenauswahl und Ressourcenzuordnung eingeführt. Die vom Makro-RRM ausgewählten Ressourcen werden dem Mikro-RRM in einem Ressourcenpool zur Verfügung gestellt. Das Mikro-RRM ordnet den MS die im Pool befindlichen Ressourcen in jedem Zugriffsrahmen bedarfsangepasst zu. Anschließend berechnet es den sich aus der aktuellen Zuordnung ergebenden Deckungsgrad und meldet diesen an das Makro-RRM zurück. Das Makro-RRM wiederum nutzt den rückgekoppelten Deckungsgrad als Stellgröße für seinen Ressourcenauswahlprozess. Für die Zuordnung der Ressourcen wurde ein nutzenbasierter Scheduling-Algorithmus vorgeschlagen. Der Algorithmus berücksichtigt die Momentanzustände sowohl der Paketwarteschlangen als auch der frequenzselektiven und zeitvarianten Funkkanäle. Hierdurch kann die in den Funkzellen vorhandene MUD ausgenutzt und die Systemeffizienz gesteigert werden. Um Fairness zu gewährleisten, wird das Prinzip vom abnehmenden Grenznutzen angewendet. Der Nutzen einer weiteren Ressource nimmt mit der Menge der Ressourcen ab, die einem Benutzer bereits zugeordnet wurden. Es zeigte sich, dass insbesondere die Auswertung der in den Paketwarteschlangen aufgelaufenen Wartezeiten für eine bedarfsgerechte Zuordnung und für die Fairness in der Zelle entscheidend ist. Durch die gleichzeitige Berücksichtigung der momentanen Kanalzustände wird bei der nutzenbasierten Ressourcenzuordnung eine hohe Effizienz erreicht. Die Kopplung von Mikro- und Makro-RRM bewirkt eine stabile und effiziente Selbstorganisation auf Gesamtsystemebene und bietet einen effektiven Mechanismus zur Gewährleistung des QoS bei variablen Datenraten.